Linux设备驱动之mmap设备操作(memdev.c字符设备驱动分析)

心不留意外尘 2017-07-16

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2015

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1.mmap系统调用

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

功能：负责把文件内容映射到进程的虚拟地址空间，通过对这段内存的读取和修改来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read和write；
参数：addr：映射的起始地址，设为NULL由系统指定；
len：映射到内存的文件长度；
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE等；
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。MAP_SHARED，MAP_PRIVATE等；
fd：由open返回的文件描述符，代表要映射的文件；
offset：开始映射的文件的偏移。
返回值：成功执行时，mmap()返回被映射区的指针。失败时，mmap()返回MAP_FAILED。

mmap映射图：

2.解除映射：
　int munmap(void *start, size_t length);

3.虚拟内存区域：
虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几个部分组成：程序代码、数据、BSS和栈区域，以及内存映射的区域。
Linux内核使用vm_area_struct结构来描述虚拟内存区。其主要成员：

unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */
unsigned long vm_end; /* The first byte after our end address within vm_mm. */
unsigned long vm_flags; /* Flags, see mm.h. 该区域的标记。如VM_IO（该VMA标记为内存映射的IO区域,会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存中）和VM_RESERVED（标志内存区域不能被换出）。*/

4.mmap设备操作：
映射一个设备是指把用户空间的一段地址（虚拟地址区间）关联到设备内存上，当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。
mmap方法是file_operations结构的成员，在mmap系统调用的发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。
mmap设备方法所需要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表（虚拟地址和设备的物理地址的关联通过页表）。

static int mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)；

mmap如何完成页表的建立？（两种方法）
（1）使用remap_pfn_range一次建立所有页表。

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)；
/**
* remap_pfn_range - remap kernel memory to userspace
* @vma: user vma to map to：内核找到的虚拟地址区间
* @addr: target user address to start at：要关联的虚拟地址
* @pfn: physical address of kernel memory：要关联的设备的物理地址，也即要映射的物理地址所在的物理帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT
* @size: size of map area
* @prot: page protection flags for this mapping
*
* Note: this is only safe if the mm semaphore is held when called.
*/

（2）使用nopage VMA方法每次建立一个页表；

5.源码分析：

（1）memdev.h

[cpp] view plain copy

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 452
/*预设的mem的主设备号*/
#endif
#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/
#endif
#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096//分配内存的大小
#endif
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data; //分配到的内存的起始地址
unsigned long size; //内存的大小
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */

（2）memdev.c

[cpp] view plain copy

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
//#include <asm/system.h>
#include <linux/slab.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "memdev.h"
static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);// inode->i_rdev包含实际的设备编号
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;//使用这个成员来指向分配的数据
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//buf缓存区，size读取文件大小，ppos当前读写位置
{
unsigned long p = *ppos;//p为当前读写位置
unsigned int count = size;//一次读取的大小
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)//是否超出读取获围
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;//count大于可读取的范围，则缩小读取范围。
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))//返回buf,读取位置，读取数量
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;//将文件当前位置向后移
ret = count;//返回实际读取字节数
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %ld\n", count, p);
}
return ret;//返回实际读取字节数，判断读取是否成功
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//write和read类似，直接参考read
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %ld\n", count, p);
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)//作改变文件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值在测试程序中要重新定位文件位置，whence这里被设置为 SEEK_SET
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;//从文件头开始定位
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;//从文件中间定位
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;//从文件尾开始定位，由于是从0开始，所以要减1
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;//返回当前文件位置
return newpos;
}
static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
vma->vm_flags |= VM_IO;
vma->vm_flags |= (VM_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP);
if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
return 0;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.mmap = memdev_mmap,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void) //初始化模块
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);//MKDEV是将主设备号和次设备号转换为dev_t类型数据,参数mem_major在头文件中预设为254
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)//memdev.h 中定义了为254。所以本例为静态分配主设备号254
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");//devno为主设备号，共申请两个连续的设备，设备名为"memdev"
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");//&devno作为一个输出参数，次设备号从0开始分配，申请2个设备，设备名为"memdev"
mem_major = MAJOR(devno);//获取动态分配到的主设备号。
}
if (result < 0)//result返回0时为申请成功，反加负值为申请失败。
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);//初始化cdev结构，将结构体cdev和mem_fops绑定起来
cdev.owner = THIS_MODULE;//驱动引用计数，作用是这个驱动正在使用的时候，你再次用inmod命令时，出现警告提示
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);//MEMDEV_NR_DEVS=2，分配2个设备
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);//kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址).
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));//新申请的内存做初始化工作
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;//#define MEMDEV_SIZE 4096
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//分配内存给两个设备
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);//初始化新分配到的内存
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);//如果申请失败，注销设备
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);